Курсовой проект

по курсу “Конструирование РЭУ”

на тему: “Проектирование эквалайзера с активными фильтрами”

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания, электрической схемы и оценка элементной базы

2. Расширенное техническое задание

3. Разработка конструкции

4. Конструкторские расчеты

4.1 Расчет объемно-компоновочны характеристик устройства

4.2 Расчет параметров электрических соединений

4.3 Расчет теплового режима

4.4 Расчет на механические воздействия

4.5 Расчет надежности

4.6 Расчет показателей качества

Выводы и заключения

Литература

Введение

Конструирование - логический мыслительный процесс (не исключающий элементов интуиции - "озарения").

Основы структуры конструирования как процесса - связь между ТЗ и наилучшим его вариантом (решением) - которая позволяет определять основные положения для подразделения существенных рабочих этапов конструирования:

а. В ТЗ содержаться (в явной или не явной форме) необходимые и достаточные данные для всех возможных решений;

б. Каждое отдельное решение является комбинацией функционирующих элементов (ТР), характеризуемых определенным действием;

в. Каждое решение имеет недостатки (ошибки), число которых возможно минимизировать;

г. ТР с минимальным числом недостатков является оптимальным.

Эти положения определяют строгую (единственно возможную) последовательность действий при конструировании объектов: повторения (возвраты) допустимы и необходимы.

Отсюда следует основные этапы конструирования как процесса:

1. Проанализировать ТЗ.

2. Выявить ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи

3. Найти содержащиеся в каждом решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки должны быть исключены полностью) или их действия (Улучшенные рабочие принципы).

4. Выявить ТР с минимальным числом недостатков - путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий принцип).

5. Изготовить КД для практической реализации объекта.

Основные требования к объекту, которые должны обеспечивать максимальное его соответствие конкретным условиям применения:

- соответствие своему назначению и высокая производительность; высокое качество, надежность и ремонтопригодность. Результат выполнения этих требований - обеспечение назначенного (гарантийного) ресурса;

- удобство применения, функциональные свойства, необходимые для выполнения нужных операций; (специализация или универсальность)

- соответствие конструкции объекта условиям изготовления его конкретными технологическими способами, на конкретном производстве в конкретном количестве. (Литье, штамповка, сварка и т.д.; - единичное - серийное - массовое; одно - серия (и) - много).

- возможность изготовления объекта на конкретной производственной базе предприятия-изготови еля с минимальными затратами (конструктор должен учитывать имеющиеся оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контроля; квалификацию персонала и состояние технологической дисциплины и т.п.).

- соответствие конкретным условиям технологической подготовки производства (это - материалы, полуфабрикаты, заготовки их наличие и дефицитность).

- соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, правил, инструкций, норм, так называемые нормативно-техническ е материалы

- КД на объект должен соответствовать требованиям ЕСКД.

В процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:

- наводит справки;

- знакомится с литературой;

- изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;

- уточняет ТТ к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обязательно должны быть соблюдены при решении задачи).

При Выявлении ТР Рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:

- следует идти от необходимого к желаемому, а от желаемого к допустимому.

- качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в ТР объекта. Следует находить побольше ТР для выбора наилучшего; разрабатывать варианты известных ТР ;стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект.

- оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.

- добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них.

- избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.

- Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.

Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.

При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:

- уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.

- компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.

- применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.

- создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.

- увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.

- разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.

- создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.

Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.

Методы, которые активизируют и направляют творческое мышление на пути создания новых, нешаблонных, нестандартных решений:

- инверсия (сделай наоборот) - метод получения нового ТР путем отказа от традиционного взгляда на задачу. При этом взгляд на задачу осуществляется обычно с диаметрально противоположной позиции. Если говорить об элементах объект, то они обычно меняются местами;

- аналогия (метод прецедента) - использование ТР из др. областей науки и техники. Аналогичные решения, используемые для решения инженерных задач, могут быть заимствованы из живой природы как конструкции и элементы биомеханики.

- эмпатия - отождествление личности конструктора с объектом разработки, т.е. элементом или процессом: "вхождение в образ". Этот метод приводит к новому взгляду на задачу;

- комбинирование - использование в конструкции в разном порядке и в разных сочетаниях отдельных ТР, процессов, элементов. При этом можно найти новое качество, дополняющий положительный эффект;

- компенсация - уравновешивание нежелательных и вредных факторов средствами противоположного действия;

намизация - превращение неподвижных и неизменных элементов конструкции в подвижные и изменяемой формы;

- агрегатирование - создание множества объектов или их комплексов, способных выполнять различные функции, либо существовать в различных условиях. Достигается путем изменения состава объекта или структуры его составных частей.

- компаундирование - состоит в том, что для увеличения производительности параллельно соединяются два технических объекта. Соединение производится различными приемами:

а) блочно-модульное конструирование - предусматривает создание изделий на основе модулей и блоков. Модуль - составная часть изделия, состоящая преимущественно из унифицированных или стандартных элементов различного функционального назначения;

б) резервирование (дублирование) - увеличение числа технических объектов для повышения надежности изделия в целом;

в) мультипликация - повышение эффективности за счет использования нескольких рабочих органов, выполняющих одни и те же функции (по местам; многодетальная обработка; многоэтажные конструкции; многослойные конструкции и т.п.);

г) метод расчленения - заключается в мысленном разделении традиционных технических объектов с целью упрощения выполняемых или функций и операций;

д) секционирование предполагает дробление ТО на конструктивно подобные составные части - секции, ячейки, блоки, звенья;

е) ассоциация - использование свойства психики при появлении одних объектов в определенных условиях вызывать активность других, связанных с первыми. Совпадение определенных признаков разных объектов позволяет найти нехарактерные решения;

ж) идеализация - падение реальных объектов нереальными, неосуществимыми свойствами и изучение их как идеальных (точка, линия, абсолютно твердое (черное) тело и др.). Этот метод позволяет значительно упростить сложные системы, обнаружить существенные связи и применить математические методы исследования;

з) перенос свойств (или метод "фокальных" объектов) - конструируемый объект помещают в "фокус" внимания и переносят на него свойства или функции нескольких произвольно выбранных объектов.

1. Анализ технического задания, электрической схемы, оценка элементной базы

Современная аудиоаппаратура и акустические системы в полной мере обеспечивают высококачественное воспроизведение звука лишь в специально оборудованном помещении, предназначенном для прослушивания музыки. Большинство же жилых помещений, особенно небольших размеров, непригодно для этой цели. В любой точке подобных помещений имеет место такое явление, как интерференция (сложение с разными фазами) звуковых волн, пришедших непосредственно от акустических систем и отраженных от стен, потолка, пола, мебели. При этом на некоторых частотах возникают стоячие волны - пучности и провалы интенсивности звука с неравномерностью до 20 дБ, что вызывает необходимость регулировки АЧХ аудиосистемы в определенных полосах частот.

Недостаточная звукоизоляция помещения приводит к тому, что прослушивать звуковые программы приходится с уровнем, значительно сниженным по отношению к тому, на котором они формируются (примерно 90 фон). В результате, для сохранения тембра звучания требуется подъем уровня громкости на частотах ниже 200 и выше 5000 Гц. Соответствующая компенсация, которую вводят в регуляторы громкости, как правило, бывает неполная.

Регулирование АЧХ необходимо и для решения других задач: корректирования звучания фонограмм невысокого качества и погрешностей АЧХ аппаратуры, компенсирования возрастных изменений слуха, подбора тембрального звучания по вкусу слушателя. Для этого применяются эквалайзеры.

Эквалайзеры пользуются заслуженной популярностью у любителей звуковоспроизведения Только эти устройства позволяют существенно менять качество акустического звукового сигнала и тем самым исправлять некоторое «несовершенство» тракта источник сигнала -- усилитель -- акустика с учетом индивидуального восприятия конкретного слушателя. Регулируя коэффициент передачи эквалайзера на выбранных частотных интервалах звукового сигнала, можно добиться улучшения звуковоспроизведения даже аппаратов среднего уровня, в том числе и монофонических конструкций.

Применение в эквалайзерах активных полосовых фильтров позволяет увеличить эквивалентную добротность фильтров, а значит, уменьшить их полосу пропускания и увеличить крутизну спада. Это в свою очередь позволяет увеличить количество регулируемых интервалов и сконструировать так называемый графический эквалайзер.

Вариант исполнения устройства - стационарная РЭА, работающая на открытом воздухе, что соответствует:

работе на открытом воздухе со следующими климатическими условиями: диапазон температур от 233до 333К; влажность 93 %; удары отсутствуют, вибрация от 10 до 30Гц, виброускорение 19,6 м /с2, пониженное атмосферное давление 61 кПа;

отсутствием механических перегрузок во время работы;

транспортированием в амортизирующей упаковке;

хранением в складских условиях в климатических зонах изготовителя и потребителя.

При конструировании такой аппаратуры возникает общая задача защиты от вибрации, ударов, пыли в условиях нормального атмосферного давления.

Данный вариант - эквалайзер с семью полосами и глубиной регулирования ±15 дБ на всех частотах. Операционный усилитель DА1 выполняет роль нормирующего усилителя. В цепи обратной связи операционного усилителя DA2 включены семь фильтров с центральными частотами 40, 100, 270, 700, 2000, 5000, 12 500 Гц. Ширина полосы фильтра определяется параметрами двухзвенной RС-цепи.

При проектировании возникает задача выбора ЭРЭ. Основными параметрами выбора является: номинальные значения соответствуют схеме электрической принципиальной, а условия эксплуатации должны соответствовать ТУ.

Поскольку данное устройство относится к классу бытовой аппаратуры, то в качестве разъема для подведения питания выбран стандартный разъем А16М500; в качестве разъемов для входного и выходного сигнала - А10F330 (разъем типа “Jack”).

Регулировку коэффициента передачи в отдельных полосах производят переменными резисторами, поэтому для удобства использования эквалайзера выбираются переменные резисторы серии SL-30V1 (с линейным регулятором, так что положение их движков на панели регулировок наглядно отражает форму АЧХ).

Для сохранения стереобаланса при любом положении регуляторов необходимо, чтобы значения резонансной частоты и добротности фильтров в левом и правом каналах отличались друг от друга не более чем на 5 %. Отличие их от расчетных значений менее существенно. Для этого в устройстве используются пассивные компоненты с малым допуском (танталовые чип конденсаторы и толстопленочные чип резисторы).

Для уменьшения массы и габаритных размеров готового устройства выбираются планарные корпуса микросхем мА741, R01374 и вМ324.

2. Расширенное техническое задание

Наименование изделия: "Эквалайзер с активными фильтрами".

Эквалайзер представляет собой многополосный регуляторы тембра, позволяющий осуществлять одновременную и взаимонезависимую регулировку на нескольких частотах, предназначен для формирования нужной амплитудно-частотной характеристики.

Основные параметры РЭА, влияющие на конструкцию прибора: напряжение питания (плюс 5В); Номинальная величина входного сигнала 250 мВ. центральные частоты фильтров: 40, 100, 270, 700, 2000, 5000, 12 500 Гц; глубина регулирования ±15 дБ.

Конструкция должна обеспечивать необходимый уровень стандартизации и унификации.

При проектировании должны учитываться требования к внешнему виду изделия, определяемые правилами технической эстетики и условиями эксплуатации. Форма изделия прямоугольная, корпус из лёгкого и прочного сплава алюминия с покрытием чёрного цвета. Габаритные размеры корпуса определяются размерами печатной платы.

Данный прибор относится к стационарной РЭА, работающей на открытом воздухе, что соответствует 2 группе по ГОСТ16019-78. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы: диапазон температур от 233до 333К; влажность 93%; удары отсутствуют, вибрация от 10 до 30Гц, виброускорение 19,6м/с2, пониженное атмосферное давление 61кПа.

При конструировании должны учитываться требования эргономики к конструкции РЭА. Она должна быть приспособлена к эксплуатации неквалифицированным человеком. С этой целью корпус должен быть снабжён всеми необходимыми переключателями, расположенными на видном и легкодоступном месте с надписями, объясняющими их назначение. Все токоведущие части аппаратуры должны быть надёжно изолированы от случайного контакта с человеком.

Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 10 тысяч часов.

Гарантийный срок эксплуатации 2 года. Запасной инструмент и приспособления не предусматриваются.

При конструировании должна быть обеспечена возможность использования прибора как законченной функциональной части.

3. Разработка конструкции

На этапе предварительной компоновки определена необходимость разработки печатной платы, схемы электрической принципиальной и ее размеров. Основными критериями размещения ИС и ЭРЭ на печатной плате являются: плотность теплового режима, равномерное распределение масс элементов по поверхности платы.

Установка корпусных микросхем и ЭРЭ должна производиться в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.030 для соответствующих групп эксплуатации РЭА. После трассировки платы производится расчёт минимальных необходимых размеров элементов проводящего рисунка печатной платы с учётом протекающих токов. Определяются диаметры контактных площадок, ширина проводников и зазора между ними, а также зазоры между проводниками и контактными площадками. С помощью электромагнитной совместимости определяется помехоустойчивость платы.